Chương 6 Tính toán dòng chảy, lựa chọn loại và khẩu độ công trình thoát nước nhỏ

Không nhất thiết mọi điểm thấp nhất cục bộ của trắc dọc phải bố trícông trình thoát nước, mà cho phép đưa dịch vị trí cống lên lừng chừng bờsuối để giảm chiều dài và dễ thi công nhưng vớ

Chương 6 Tính toán dòng chảy, lựa chọn loại và khẩu độ

công trình thoát nước nhỏ

6.1 Phân tích loại công trình thoát nước nhỏ

Công trình thoát nước nhỏ chủ yếu trên đường sắt là cầu nhỏ vàcống

Ta thường gặp ba loại cống là cống tròn cống vuông và cống vòm.Trong đó cống tròn là phổ biến nhất vì nó dễ thi công và phù hợp với điềukiện thi công cơ giới Cống tròn dùng khi lưu lượng cần thoát qua nhỏ hơn15m3/s Khi cần thoát qua một lưu lượng nước lớn hơn 15m3/s thì cốngvuông kinh tế hơn cống tròn cống vòm dùng ở những nơi địa chất lòng sông(suối) tốt

Nếu điều kiện cho phép nên chọn cống vì kết cấu cống đơn giản, thicông dễ, chịu được tải trọng cao và đặc biệt là không phụ thuộc vào việcthay đổi hoạt tải tác dụng lên cống Nói cách khác là khi cần thay đổi đầumáy chạy trên tuyến thì cống không phải gia cố thêm một cách phức tạp nhưcầu

6.1.3 Các loại công trình khác.

Ngoài hai loại trên còn có cống xi phông (thường thấy trên tuyến miềnnúi, cống máng và cống ngầm có hố tiêu năng (hình 6-1)

6.2 Bố trí công trình thoát nước nhỏ trên bình đồ và trắc dọc.

6.2.1 Nguyên tắc bố trí công trình thoát nước trên trắc dọc.

Trong một phạm vi cục bộ giữa hai đoạn không đào không đắp trêntrắc dọc bố trí công trình thoát nước ở vị trí thấp nhất của đường đen Cònhai đỉnh cao nhất của đường cao độ thiên nhiên nằm về hai phía của điểmkhông đào không đắp là các đỉnh của đường phân thủy từ các điểm này trên

lý trình của bình đồ ta khoan được vùng tụ nước chảy về công trình (hình 2)

hợp trên đoạn dài của trắc dọc không có công trình thoát nước Lúc đó taphải bố trí công trình thoát nước cấu tạo vì mặt cắt rãnh bên nền đường đàođịnh hình chỉ đủ thoát nước cho chiều dài 500m đường Vậy trường hợp này

ta phải bố trí thêm 2 hay 3 cống trên chiều dài 1 km Nhưng cống này cókhẩu độ nhỏ nhất là 1m để thuận lợi cho công tác duy tu cống khi khai tháccao độ nền đường tại vị trí cống phải thỏa mãn hai điều kiện sau đây:

- Để tránh cống bị vỡ do hoạt tải thì lớp đắp trên cống, từ đỉnh cốngđến đáy ray phải dày tối thiểu là 1m Nếu điều kiện này không được thỏamãn với địa hình phải xử lý bằng một trong hai cách là cống bản bê tông cốtthép hoặc đào sâu lòng suối (hạ lưu cống trũng hơn nhiều thượng lưu, cốngkhông bị bồi) việc chọn cách nào tùy theo kết quả so sánh phương án vềkinh tế kỹ thuật

- Cao độ vai đường phải cao hơn mực nước dâng trước cống mộtđoạn dự trữ Nếu cầu nhỏ, cống bán áp, cống không áp khẩu độ nhỏ dưới2m thì đoạn dự trữ là 0,5m Còn nếu là cống bán áp đường kính 2m trở lênđoạn dự trữ là 1m

Không nhất thiết mọi điểm thấp nhất cục bộ của trắc dọc phải bố trícông trình thoát nước, mà cho phép đưa dịch vị trí cống lên lừng chừng bờsuối để giảm chiều dài và dễ thi công nhưng với điều kiện phải đào sâu lòngsuối và đào rãnh thoát nước ở hạ lưu Nếu phải làm cầu tại vị trí nền đắp caocũng cần so sánh thêm với phương án mở rộng khẩu độ để giảm chiều caocông trình và chiều cao nền đắp trước công trình

6.2.2 Bình đồ của công trình thoát nước.

Nói chung công trình thoát nước phải vuông góc với dòng chảy Nhưvậy sẽ có lợi là chiều dài công trình ngắn và thi công thuận lợi Nhưng lại làmcho đường dài vì phải quanh co, chất lượng khai thác đường kém đến khikhông thiết kế tuyến qua sông được, cho nên đối với công trình thoát nướcnhỏ thì vị trí của nó do vị trí của tuyến đường quyết định Như vậy sẽ xảy ramột điều là công trình phải chéo với dòng chảy Khi đó phải làm miệng cốngxiên hoặc làm công trình điều chỉnh và bảo vệ Có nghĩa là khi làm công trìnhchéo với dòng chảy ta vẫn áp dụng thiết kế kết cấu công trình định hìnhnhưng phải sửa đổi lại theo địa hình

ở những đoạn suối cong trên vùng núi lại có nước chảy thường xuyênthì vị trí công trình tốt nhất là di chuyển về vị trí khô ráo ở gần đấy và sau khilàm xong công trình sẽ cho nắn thẳng suối bằng cách đào một đoạn sông

nhân tạo, giải quyết như vậy vừa cải thiện được chế độ chảy vừa tạo điềukiện tất thuận lợi cho thi công.

6.3 Nhiệm vụ tính toán thủy văn

Lưu lượng tính toán là cơ sở để tính toán thủy lực, thủy văn cho cầunhỏ và cống Tùy theo mỗi giai đoạn thiết kế ta áp dụng các công thức tính Qmột cách gần đúng hay chính xác để xác định lưu lượng tính toán và khẩu

6.4 Tính toán dòng chảy do mưa rào

S

K 

S1 - Vũ suất của vùng thiết kế ứng với P = 1%

28 - Vũ suất trung bình của toàn miền Bắc ứng với tần suất 1%

6.4.2 Đặc tính của dòng chảy do mưa rào và lưu lượng thiết kế.

Dòng chảy lớn nhất do mưa rào từ lưu vực chảy về (lưu lượng) phụthuộc vào các yếu tố sau:

- Diện tích lưu vực F (km2) và hình thức của nó

- Cường độ mưa rào, thời gian mưa

- Tổn thất của dũng chảy do thấm xuống đất, do cõy cỏ giữ lại, donước bị tớch lại trờn suối và cỏc hoạt động kinh tế của con người v.v

- Điều kiện nước chảy từ lưu vực về cụng trỡnh, chiều dài suối, chiềurộng sườn lưu vực; độ dốc của sườn nỳi và lũng suối, độ nhỏm của chỳng

- Tớnh chất mưa khụng đồng đều trờn lực vực, N.E Đụngov đó thểhiện hỡnh dạng phức tạp của dồng chảy do mưa rào như sau:

+ Thời đoạn đầu là thời đoạn mà tất cả nước mưa rơi xuống đều bịngấm xuống đất, bị giữ lại trờn mặt đất và trờn cõy cỏ

Thời đoạn

đầu

T4 T3

T2 T1

Hình 6-3 Biểu đồ thuỷ lực dòng chảy do m a rào của N.E Đôngov

+ Giai đoạn chảy toàn bộ (BC): Thời đoạn hỡnh thành dũng chảy.+ Giai đoạn nước rỳt (CD)

Về vấn đề định lượng tớnh toỏn là một bài toỏn kinh tế và kỹ thuật núcần phải được gắn chặt với ý nghĩa cụng trỡnh thiết kế, thời gian phục vụ giỏthành cụng trỡnh v.v Vậy cần phải chọn cường độ mưa tớnh toỏn cú xột tớitần suất của nú, tần suất này phải được xỏc định theo ý nghĩa kinh tế vàchớnh trị của cụng trỡnh và tớnh chất của lũ

6.4.3 Cơ sở lý thuyết tập trung nước từ lưu vực

Quy luật nước chảy từ cỏc sườn dốc lưu vực vờ cụng trỡnh thoỏt

nước cỏc tỏc giả đó nhận thấy: lưu lượng nước mưa chảy về cụng trỡnh tăngdần theo thời gian và đạt trị số cực đại khi giọt nước từ điểm xa nhất trờn lưuvực kịp chảy về cụng trỡnh.

Giả thiết cường độ mưa toàn lưu vực khụng thay đổi, lưu vực cú dạngđều như quyển sỏch gấp đụi giữa là lũng suối, diện tớch lưu vưc là F, thờigian cung cấp nước là thời gian để một giọt nước xa nhất trờn lưu vực kịpchảy về cụng trỡnh là tc, vẽ trờn lưu vực những đường đồng thời gian nướcchảy về cụng trỡnh sau 1', 2', 3', 4' Diện tớch lưu vực cú nước kịp chảy vềcụng trỡnh sau thời gian trờn là f1, f2, f3, f4 , a là chiều dầy lớp nước trờn lưuvực do mưa trong một phỳt (cường độ cung cấp dũng chảy), ta cú quy luậtthay đổi lưu lượng qua mặt cắt cụng trỡnh như sau:

Đ ờng sắt

Hình 6-4 Bình đồ dòng chảy trên s ờn núi, l u vực

Suối

Đ ờng phân thuỷ cùng thòi gian

Đ ờng n ớc

f1 f2 f3 f4

1' 2' 3' 4' f5

Sau phỳt thứ nhất chỉ cú phần diện tớch f1, của lưu vực, nước mưa kịpchảy tới mặt cắt cụng trỡnh, do đú lưu lượng nước chảy tại cụng trỡnh là:

Q1 = f1.aLỳc này lượng nước mưa tại diện tớch f4 mới kịp chảy về f3 và f3 về f2cũn f2 về f1

Sau phỳt thứ hai ngoài phần diện tớch f1 cú thờm lượng nước mưa từ

k k

Qmax = 16,68 (am K1 - i)  FTrong đó:

 - Hệ số dồng chảy ( < 1)

am - Cường độ mưa xác định theo (6 - 1) tính bắng mm/phút

i - Cường độ thấm tùy theo loại đất mm/phút

F - Diện tích lưu vực tụ nước km2

Qmax - Lưu lượng cực đại m3/s

Như vậy, chưa xác định được ảnh hưởng của các cơn mưa nối tiếpnhau đến chế độ thuỷ văn của một công trình cụ thể, và cũng không xác địngđược ảnh hưởng tác động qua lại của các dòng chảy trong cùng một hệthống sông suối, chịu ảnh hưởng của các cơn mưa riêng rẽ lệch pha nhau

về thời gian Đồng thời cũng không xác định được ảnh hưởng tác động qualại của các công trình thoát nước với nhau

6.4.4 Quy trình tính dòng chảy do mưa rào của Viện Thiết kế giao thông Việt Nam 1979.

Năm 1979 Viện Thiết kế giao thông Việt Nam ban hành tạm thời "quyđịnh tính dòng chảy lũ do mưa rào ở lưu vực nhỏ" và lưu lượng cực đạiđược xác định theo công thức của Viện Thủy văn Nhà nước Liên Xô

Q = Ap Hp  F

Hp - Lượng mưa ứng với tần suất p%

Ap - Mô đuyn tương đối của dòng chảy lớn nhất

 - Hệ số dòng chảy cũ, phụ thuộc vào đặc trưng lớp phủ mặt của lưuvực, lượng mưa ngày và diện tích lưu vực

 - Hệ số sét ảnh hưởng của hồ ao, đầm lầy

Việc tính toán thuỷ văn như trên dựa trên cơ sở lượng mưa ngàychưa quan tâm đầy đủ đến ảnh hưởng của thời gian mưa (cơn mưa dài hayngắn) và mức độ biến thiên cường độ mưa Mặc dù có xét đến ảnh hưởngcủa cường độ mưa một cách gián tiếp thông qua việc tính toán thông số thờigian tập trung nước trên sườn dốc s, rồi từ đó tra ra Mođun lũ tương đối Ap,với nguyên tắc s càng nhỏ, thì mô đun tương đối Ap càng lớn Tuy vậy vẫnchưa triệt để ở chỗ: trị số Ap được rút ra bằng phương pháp thống kê, do đóchỉ phù hợp với quy luật xác suất thống kê mà không đảm bảo mức độ chínhxác trong những trường hợp cá biệt Mặt khác trị số Ap là hàm số phụ thuộc

2 biến số s và 1, với cách lập hầm số thống kê theo nhiều biến như vậy

và phạm vi cơ sở dữ liệu để xây dựng quy luật xác suất thống kê rất rộng sẽảnh hưởng tới mức độ chính xác Công thức năm 1979 có 3 thông số bấtbiến là Hp, , F và thông số  thực ra cũng là thông số bất biến sau khi đãxác định được cấp đất, H1%và F sẽ tra bảng và chọn ra trị số  với tư cách

là hằng số cố định Như vậy thực chất giá trị Ap phải đại diện cho tất cả cácthông số còn lại nên bảng tra Ap phải được xây dựng trên kết quả sử lý cácxác suất thống kê của tất cả các biến đó

Riêng đối với miền núi thường có lưu vực nhỏ, độ dốc lớn, thời giantập trung dòng chảy nhỏ nên tồn tại một thực tế là: Cơn mưa có tổng lượngmưa nhỏ nhưng thời gian mưa ngắn, cường độ mưa lớn, thời gian tập trungdòng chảy nằm trọn vẹn trong khoảng thời gian có độ dài Tc và có cường độmưa lớn sẽ cho lưu lượng Qmax lớn hơn nhiều so với cơn mưa có tổnglượng mưa lớn nhưng thời gian mưa dài và cường độ mưa nhỏ

Việt Nam nằm trong vùng nhiệt đới gió mùa, địa hình đan xen nhiềudạng, nên sự khác biệt của chế độ mưa lại càng trở thành vấn đề quan tâm

Ngoài công thức vừa nêu đã được dùng trong thực tế ở Việt Namhiện nay, thì còn nhiều công thức khác ở dạng chính xác hay gần đúng(tham khảo cuốn Công trình vượt sông)

6.5 Xác định khẩu độ và tính toán thủy lực

H  1,4 hcv đối với miệng cống theo dạng dòng chảy.

Trong đó: H chiều cao nước dâng trước cống

Hcv - chiều cao cống ở cửa vào

6.5.1.3 Có áp nếu H >1,4 H cv , và miệng cống theo dạng dòng chảy

độ dốc cống nhỏ hơn dốc ma sát, trường hợp này trên phần lớn chiều dàicống, nước ngập hoàn toàn, chỉ có cửa ra có thể có mặt thoáng

Hình 6-9 Chế độ làm việc của cống có áp

Khi mực nước ngập trước cống khỏ lớn chế độ chảy cú ỏp cú thể xảy

ra cho trường hợp miệng cống thụng thường Nhưng hiện tượng ấy khụngxảy ra liờn tục và cống vẫn làm việc như chế độ bỏn ỏp Để đảm bảo an toànloại này tớnh toỏn như chế độ chảy bỏn ỏp

Núi chung khẩu độ cống được xỏc định theo chế độ khụng ỏp, cốngnằm ở khu vực cú vật trụi, mức nước chảy trong cống phải cỏch đỉnh cốngmột đoạn như trong quy trỡnh

Một số trường hợp cỏ biệt cần phải thiết kế cống bỏn ỏp và cú ỏp thỡphải lưu ý biện phỏp cấu tạo đảm bảo sự ổn định của cống và nước khụngthấm qua nền đường

Chờnh lệch mực nước thượng hạ lưu cú ảnh hưởng rất quan trọngđến khả năng ổn định tổng thể cụng trỡnh, đặc biệt là ở nơi địa hỡnh miền nỳicao thường cú độ dốc ngang lớn, mức độ ổn định chống trượt ngang củanền đắp ngay trong trường hợp chưa phỏt sinh ỏp lực thuỷ động và chờnhlệch ỏp lực thuỷ tĩnh cũng đó thường bị đe doạ Mặt khỏc vật liệu đắp nềnđường ở hai đầu cụng trỡnh thường dựng cỏc loại hạt rời như cỏt sạn, đỏthải sẵn cú từ lũng suối hoặc nền đào, dễ kiếm hơn cả vật lệu đất dớnh,nờn dễ phỏt sinh dũng thấm làm trụi sụt nền đường Do đú trong mỗi cụngtrỡnh cụ thể thỡ việc tớnh toỏn chớnh xỏc trị số H thượng hạ lưu cú một ýnghĩa quan trọng

6.5.2 Tớnh toỏn khả năng thoỏt nước của cống khi độ dốc của cống i c

nhỏ hơn độ dốc phõn giới i k

Khả năng thoỏt nước của cống QC tựy thuộc vào chế độ làm việc của

nú, được xỏc định theo cụng thức sau đõy:

6.5.2.1 Chế độ khụng ỏp.

C C

-0,85 cho tất cả cỏc loại miệng cống trừ loại làm việc theo dạng dũng chảyđảm bảo cho chế độ chảy cú ỏp.

C - Tiết diện nước chảy tại chỗ bị thu hẹp trong cống

hC - Chiều sõu nước chảy trong cống tại chỗ thu hẹp thường lấy hC =0,9hk

hk - Độ sõu phõn giới

g - Gia tốc trọng trường lấy bằng 9,81 m/s2

Vỡ giữa H và hC cú quan hệ (phương trỡnh Bộcnuli)

2

2

2 g

V h

ở đồ thị này cho quan hệ giữa 2

d

C

 với

d

h C

(d - đường kớnh ốngcống) Biết được hC và d tra đồ thị cú C , rồi theo cụng thức xỏc định QC

Hình 6-10 Đồ thị xác định các đặc tr ng

0,40,2

h = 0,6 hcv (hcv - chiều cao cống ở cửa vào) thông thường hệ số vậntốc  = 0,85 và  = 0,6 cv do đó:

Chú ý: Sau đây là các điều kiện để lập bảng trên

- Cống không bị ngập ở hạ lưu (hk > 1,3 hb) hb là chiều sâu nước chảybình thường sau cống

- Độ dốc của công đặt theo độ dốc phân giới (ik) cho trường hợp cốngkhông áp và đặt theo độ dốc ma sát in cho trường hợp cống có áp

- Vận tốc nước chảy trước cống bằng 0

6.5.3 Trình tự tính toán cống.

Sau khi chọn loại cấu tạo cống, căn cứ vào lưu lượng để chọn ra một

số phương án khẩu độ dựa theo các công thức (6 - 1), (6 - 2) hoặc phụ lục 1.Cũng từ đó xác định được chiều sâu H, vận tốc V Dựa vào H và V mà định

ra cao độ nền đường (ngược lại là kiểm tra cao độ nền đường đã thiết kế),xác định các biện pháp gia cố thượng hạ lưu cống rồi tiến hành so sánh kinh

tế kỹ thuật để chọn phương án thích hợp nhất

6.5.4 Các trường hợp tính toán thủy lực cống.

Tùy theo điều kiện cụ thể mà tính toán cống

Có thể phân ra hai trường hợp

- Biết mực nước dâng cho phép (cao độ nền đường cho phép) tốc độnước chảy cho phép (vật liệu gia cố thượng lưu và hạ lưu cống) cần xácđịnh khả năng thoát nước của cống (xác định khẩu độ cống)

- Biết lưu lượng nước cần phải thoát qua công trình xác định một số

phương án khẩu độ cống và các yếu tố thủy lực H, V Dựa vào H và V địnhcao độ nền đường tối thiểu, biện pháp gia cố thượng, hạ lưu cống và tiếnhành so sánh các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật để quyết định phương án có lợinhất.

Khi tính toán cần chú ý những công thức trên và phụ lục 1 cho khảnăng thoát nước của cống vì vậy khi dựa vào trị số lưu lượng từ lưu vực để

đổ về để xác định khẩu độ cống phải xét tới ảnh hưởng của hiện tượng tíchnước trước công trình đã làm cho khả năng thoát nước của cống bé hơn lưulượng cực đại từ lưu vực về

Cao độ tối thiểu của nền đường cần được quán triệt theo mục 2.Chọn chế độ làm việc của cống nói chung nên chọn loại không áp

6.5.5 Tính toán thủy văn cho cống hở (rãnh hở).

Trong các trường hợp đường sắt chạy trong thành phố, thị xã, cảngbiển không có điều kiện làm cống ngầm thì phải làm cống lộ thiên Đươngnhiên trường hợp này khẩu độ cống nhỏ 0,5 - 0,7m tương đương với lưulượng thoát qua QP  3,5m3/s và chiều sâu rãnh không quá 2m Chiều sâumực nước cho phép trong rãnh y = h - 0,5 trong đó: h là chiều cao nềnđường lấy ở trắc dọc mặt khác y = 1,6 V g

2

do đó V  y1, g6 Khẩu độ cống hở tính theo công thức sau: 3

V

g Q

2 Lực cản dòng chảy khi vào và ra công trình là một lượng vô cùngbé.

3 Mặt nước trong công trình nằm ngang dù chỉ từng đoạn một tronggiới hạn đó dòng chảy ổn định và song song

Như trên đã nói do các giả thiết này nên ta ứng dụng hiện tượngnước chảy qua đập tràn đỉnh rộng để tính toán thủy văn cho cầu

Hình vẽ và khái niệm các chế độ chảy của nước dưới cầu

- Nếu độ dốc dưới cầu lớn hơn độ dốc phân giới ik tính như dốc nước

6.6.2 Trình tự tính toán thủy lực cầu nhỏ.

- Xác định tốc độ và chiều sâu nước chảy trong suối lúc tự nhiên Giảthiết các chiều sâu nước chảy trên suối 1, 2, 3, 4 mét ứng với mỗi chiều sâu

đó tính lưu lượng theo các công thức Sêri, Mawinh hay Pavlôpsky, có các sốliệu về lưu lượng ứng với các chiều sâu khác nhau về quan hệ h - Q Dựavào đường quan hệ h - Q ứng với lưu lượng thiết kế QC xác định chiều sâunước chảy h và tốc độ nước chảy V (hình 6-13, 6-14)

- Chọn phương án xử lý lòng suối, tùy theo định hình cụ thể và khẩu

độ cầu chọn phương án xử lý lòng suối dưới cầu (đào lòng suối để có dạngchữ nhật và gia cố hay để lòng suối có dạng tự nhiên, dùng mố có mố đất